四旋翼飛行機(jī)器人室外導(dǎo)航避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )四旋翼飛行機(jī)器人室外導(dǎo)航避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)DESIGN OF FOUR ROTOR FLYING ROBOT OUTDOOR NAVAGATION AND OBSTANKLE AVOIDANCE SYSTEM學(xué)位論文原創(chuàng)性 聲明圖書分類號(hào)：密 級(jí)：學(xué) 生 姓 名班 級(jí)學(xué) 院 名 稱專 業(yè) 名 稱指 導(dǎo) 教 師畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品或成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。論文作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書本人完全了解關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸所擁有。有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )Ⅰ摘要四旋翼飛行機(jī)器人也稱四旋翼飛行器，有 4 個(gè)呈十字形交叉分布的螺旋槳。四旋翼飛行器屬于多旋翼飛行器的一種，也是一種智能機(jī)器人。相比較固定翼飛行器而言，四旋翼飛行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)?？梢詫?shí)現(xiàn)垂直起降、定點(diǎn)懸停等功能，因而可以完成更加復(fù)雜的飛行任務(wù)。隨著傳感器技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展,尤其是微電子和微機(jī)械技術(shù)的逐步成熟,使四軸飛行器的自主飛行控制得以實(shí)現(xiàn),并成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。本文主要研究四旋翼飛行器的室外導(dǎo)航與避障問(wèn)題，在導(dǎo)航方面，采用 GPS 導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航相結(jié)合的方法,采用超聲波作為避障傳感器,設(shè)計(jì)出一種無(wú)人飛行器自主航路規(guī)劃方法,不僅確保了全局航路的最優(yōu)性,而且保證局部航路實(shí)時(shí)規(guī)避障礙物,使無(wú)人飛行器能更好地適應(yīng)環(huán)境的變化。關(guān)鍵詞 四旋翼飛行器；GPS；慣性導(dǎo)航；超聲波畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )Ⅰ畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )ⅡAbstractFour rotor also say four rotor aircraft flying robot, there are four is crossed the distribution of the propeller.More than four rotor aircraft belonging to a rotor aircraft, is also a kind of intelligent robots.Compared with fixed wing aircraft, four rotor aircraft with simple structure, flexible control, etc.Can implement vertical take-off and landing, the function such as fixed-point hover, thus can complete more complicated mission.With the continuous development of sensor technology and control theory, especially the microelectronics and micro mechanical technology mature gradually, make four shaft can realize autonomous flight control of aircraft, and as the international research hot spot.This paper mainly studies four rotor aircraft outdoor navigation and obstacle avoidance problem, in terms of navigation, adopt the method of combining the GPS navigation and inertial navigation, as obstacle avoidance of ultrasonic sensor, design a kind of unmanned aerial vehicles autonomously route planning method, not only ensure the optimality of the global route, local route and guarantee real-time avoiding obstacles, unmanned aerial vehicles can better adapt to changes in the environment.Keywords robot;GPS;navigation;ultrasonic畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )Ⅲ目 錄摘要 .ⅠAbstract .Ⅱ目 錄 Ⅲ1 緒論 11.1 引言 11.2 研究意義 11.3 研究現(xiàn)狀 11.3.1 發(fā)展歷史 11.3.2 發(fā)展現(xiàn)狀 32 四旋翼飛行器的飛行原理 82.1 硬件構(gòu)成 82.1.1 機(jī)架 82.1.2 電池 92.1.3 飛控 92.1.4 電機(jī) .112.1.5 電調(diào) .122.2 控制原理 .122.2.1 姿態(tài)控制 .122.2.2 PID 控制原理 133 傳感器選擇 .163.1 導(dǎo)航傳感器 .163.1.1 GPS 模塊 163.1.2 慣性導(dǎo)航模塊 .193.2 避障傳感器 .203.2.1 超聲波模塊 .204 導(dǎo)航避障系統(tǒng)設(shè)計(jì) .224.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 .224.2 ROS 簡(jiǎn)介 224.2.1 特點(diǎn) .224.2.2 運(yùn)行原理 .244.3 避障導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì) .254.3.1 建立模型 .254.3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) .26結(jié)論 .28致謝 .29參考文獻(xiàn) .30畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )11 緒論1.1 引言2013 年以來(lái)，對(duì)于四旋翼飛行器的研究引起了人們極大的關(guān)注，多旋翼飛行器的飛行控制已不再是特別高深的學(xué)術(shù)問(wèn)題，大部分具有電子、控制等相關(guān)專業(yè)背景的人都可以掌握。對(duì)于一些科研人員來(lái)說(shuō)，單個(gè)飛行器的飛行控制已經(jīng)不能引起他們的興趣，他們已經(jīng)將研究重點(diǎn)放到了智能導(dǎo)航和多個(gè)飛行器的編隊(duì)飛行上。按照有無(wú)人工干預(yù)，四旋翼飛行器的飛行有兩種模式，即遙控飛行和自主飛行。遙控飛行靠人大操作技巧與經(jīng)驗(yàn)，而自主飛行則要依靠控制器的運(yùn)算速度、傳感器的經(jīng)度以及程序的可靠性等。本設(shè)計(jì)選用技術(shù)已經(jīng)很成熟的 GPS 和超聲波分別設(shè)計(jì)導(dǎo)航與避障系統(tǒng)，并將 ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）引入四旋翼飛行器，為其自主飛行提供可靠保障。1.2 研究意義目前，四旋翼飛行器已經(jīng)不再只是存在于實(shí)驗(yàn)室的高深民事用途上的四旋翼飛行器主要工作在低空領(lǐng)域，該領(lǐng)域充斥著房屋、樹木等障礙物，環(huán)境復(fù)雜，對(duì)飛行確定自主飛行是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。為了使四旋翼飛行器能夠輕松地在環(huán)境復(fù)雜多變的室外飛行，躲避障礙物，就要重點(diǎn)研究如何讓飛行器可以自動(dòng)檢測(cè)它所處的空間位置并且分析所處的空間環(huán)境，繞開其它物體，規(guī)劃出合理的飛行路徑。四旋翼飛行器飛行系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)是能否實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)避障功能[1],在規(guī)劃好的路徑上，經(jīng)常存在著各種個(gè)樣的障礙物，如何自動(dòng)避開這些障礙物，是四旋翼飛行器研究的難點(diǎn)之一。但是,那些工作在室外特別是低空領(lǐng)域中飛行的四旋翼飛行器,因?yàn)樵擃I(lǐng)域沖出著大量的房屋、樹木等障礙物，環(huán)境復(fù)雜，存在著很大的安全隱患。所以，如何實(shí)現(xiàn)飛行器快速有效地躲避障礙物，實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )21.3 研究現(xiàn)狀1.3.1 發(fā)展歷史四旋翼飛行器最早出現(xiàn)于上世紀(jì)初，在此后的幾十年里，人們做出了大量的嘗試。1907 年，在 Richet 教授的指導(dǎo)下，Breguet 兄弟 Louis 和 Jacque 制造了第一架旋翼式飛行器。該四旋翼飛行器的得機(jī)架由鋼管焊接而成，呈“十”字形，四個(gè)旋翼位于端點(diǎn)上，其四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)方向不同并且相對(duì)的兩個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)方向相同。該飛行器最終測(cè)試時(shí)距離地面達(dá)到 1.5 米，但持續(xù)的時(shí)間不是很長(zhǎng)。由于當(dāng)時(shí)控制技術(shù)還很落后，所以這次飛行效果很差。圖 1-1 Breguet-Richet 四旋翼飛行器1922 年，George De Bothezat 在美國(guó)俄亥俄州的空軍部建造了一架大型的四旋翼直升機(jī)，如圖 1.2 所示。該飛行器只有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)旋翼。可以實(shí)現(xiàn)升降控制與方向控制。由于飛行效果不佳，造價(jià)昂貴，以及當(dāng)時(shí)的人們對(duì)旋翼飛行器的關(guān)注程度，美國(guó)軍方?jīng)Q定不再投資研究。圖 1-2 De Bothezat 四旋翼飛行器1956 年，Convertawings 公司在紐約的 Amitycille 制造了一架四旋翼直升機(jī)，如圖 1.3 所示。該飛行器的體積較大，旋翼直徑將近 6m。與以往設(shè)計(jì)不同的是，該飛行器中使用兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而且控制方法與當(dāng)前控制方法類似，即調(diào)節(jié)每個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速來(lái)保證飛行器平穩(wěn)飛行。遺憾的是，即使 Convertawings 四旋翼飛行器的表現(xiàn)效果很好，依然沒(méi)能引起人們太大的關(guān)注，對(duì)其研究也即終止。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )3圖 1-3 Convertawings 四旋翼飛行器雖然相比較固定翼飛行器，四旋翼飛行器具有機(jī)械結(jié)構(gòu)與飛行原理簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，對(duì)四旋翼飛行器的研究并沒(méi)有取得多大進(jìn)展。最近十幾年，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、傳感器、控制理論等相關(guān)技術(shù)獲得極大的進(jìn)步，這些都促進(jìn)了四旋翼飛行器技術(shù)的發(fā)展。到 2005 年左右，真正穩(wěn)定的多旋翼無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制器才被制作出來(lái)。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，更多的人選擇研究多旋翼飛行器，而不再是研究直升機(jī)式飛行器。來(lái)自賓夕法尼亞大學(xué)的 VijayKumar 教授于 2012 年 2 月在 TED 上做了一場(chǎng)關(guān)于四旋翼飛行器的演講，這次演講引起了巨大的反響，可以稱得上四旋翼飛行器發(fā)展史上的一座里程碑。自此之后，四旋翼飛行器受到的關(guān)注度迅速提升，成為了新的商業(yè)焦點(diǎn)。1.3.2 發(fā)展現(xiàn)狀最近幾年,人們普遍對(duì)研究四旋翼飛行器產(chǎn)生了很大的興趣，其應(yīng)有也更加多樣。世界主要國(guó)家在發(fā)展軍用飛行器的同時(shí), 也在著力發(fā)展民用飛行器, 不斷研制小型化、微型化的飛行器。隨著嵌入式處理器、微傳感器技術(shù)、控制理論的發(fā)展, 微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)在個(gè)方面得到普遍應(yīng)用, 很多國(guó)家都開始研制四旋翼飛行器[2]。美國(guó)的 MIT，德國(guó)的Ascending Technology 等是具有代表性的科研團(tuán)隊(duì)。還有一些民用企業(yè)，將四旋翼飛行器作為產(chǎn)品來(lái)開發(fā)，比如 Micro Drones,Dragonfly,Micropterous 等。四旋翼飛行器屬于一種機(jī)電一體化產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)外很多著名的科研機(jī)構(gòu)都開展了一些項(xiàng)目來(lái)研究四旋翼飛行器, 許多研究機(jī)構(gòu)在開發(fā)能夠在不是很復(fù)雜得環(huán)境中自主飛行的四旋翼無(wú)人機(jī)方面取得了成功, 但是發(fā)展能夠在很復(fù)雜的環(huán)境中全自主飛行的飛行器，仍然是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。下面, 將從 3 個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外微小型四旋翼無(wú)人機(jī)研究進(jìn)展進(jìn)行描述。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )4圖 1-4 瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院 OS4(1)早期探索階段從上世紀(jì)初四旋翼飛行器最初被制造出來(lái)以后，一直到上世紀(jì)中葉，四旋翼飛行器一直處在探索階段，這一時(shí)期，主要是西方的一些國(guó)家在進(jìn)行研究。比較著名的有瑞士的 OS4 飛行器與加拿大的 X-4 Flyer Mark II。 OS4 由瑞士的一家大學(xué)負(fù)責(zé)研究。OS4 四旋翼飛行器如圖 1-4，具備在簡(jiǎn)單環(huán)境中無(wú)人干預(yù)飛行能力。OS4 最初用于研究全自動(dòng)飛行器, 這個(gè)項(xiàng)目的任務(wù)是要研究并制造出一個(gè)飛行器系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的無(wú)人工干預(yù)飛行。而且，OS4 也采取了相應(yīng)的避障措施，使用超聲波技術(shù)，識(shí)別阻礙飛行的物體, 此外，利用 Matlab/Simulink 軟件模擬運(yùn)行了避障設(shè)計(jì)。OS 項(xiàng)目的主要研究成果是設(shè)計(jì)出了四旋翼飛行器的基本控制方法，并涉及到一些關(guān)于躲避障礙物方面的研究。設(shè)計(jì)了避障控制器、基于位置和速度控制的 5 種不同避碰方法, 并做了相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明, OS4 在仿真環(huán)境中能夠避開障礙物, 安全飛行。下一步研究重點(diǎn)是增強(qiáng)平臺(tái)推力, 使 OS4 更可靠, 提高自主飛行能力, 改進(jìn)視覺(jué)傳感器以及測(cè)試航點(diǎn)跟隨和機(jī)動(dòng)避障能力 [3]。圖 1-5 X-4 Flyer Mark II 四旋翼平臺(tái) ?X-4 Flyer Mark II 是澳大利亞一所大學(xué)設(shè)計(jì)的四旋翼實(shí)驗(yàn)裝置。X-4 Flyer Mark II 如圖 1-5,該飛行器設(shè)計(jì)了一套算法用于控制飛行，并且可以自主運(yùn)行。在硬件方面，畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )5為了減輕重量，設(shè)計(jì)人員采用了新材料碳纖維制作飛行器框架部分，穩(wěn)固耐摔。 另外設(shè)計(jì)人員將該飛行器的控制部分單獨(dú)制作，便于拓展與移植。與 OS4 相同，開發(fā)人員也用Matlab 軟件進(jìn)行仿真運(yùn)行，結(jié)果該飛行器飛行效果很好，能夠抵御外界的干擾，達(dá)到了預(yù)期的效果。X-4 Flyer Mark II 采用線性單輸入單輸出控制器來(lái)控制飛行姿態(tài), 使橫滾與俯仰兩種姿態(tài)的耦合成為可能, 并使用干擾輸入模型來(lái)估計(jì)對(duì)象的執(zhí)行效果, 補(bǔ)償器能有效調(diào)節(jié)高度和旋翼速度。圖 1-6 NUDT 控制試驗(yàn)平 相比較國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)關(guān)于四旋翼飛行器的研究起步較晚。硬件上除機(jī)架等非核心部分可以自行制作外，其他主要部件，像電機(jī)、部分傳感器等需要使用國(guó)外產(chǎn)品。另外，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員還設(shè)計(jì)了一套齒輪裝置來(lái)給電機(jī)減速?？刂葡到y(tǒng)方面，主要研究了電機(jī)轉(zhuǎn)速伺服裝置、傳感器模塊與通訊模塊。下一步的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在室外環(huán)境中高精度姿態(tài)穩(wěn)定控制、全自主航點(diǎn)飛行、碰撞規(guī)避等實(shí)驗(yàn) [4]。（2）現(xiàn)有平臺(tái)集成研究為了方便不同項(xiàng)目的研究，提高工作效率，一些大學(xué)搭建了四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有代表性的是麻省理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)。斯坦福大學(xué)以 Dragonflyer III 為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。該項(xiàng)目共進(jìn)行了兩次改造，飛行器分別被命名為 STARMAC I和 STARMAC II。飛行控制器有兩部分組成，其一固定在飛行器上，控制飛行器的姿態(tài)，另一部分固定在某一地點(diǎn)，稱作地面站。負(fù)責(zé)飛行器與地面站之間通信的模塊與負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)讀取的模塊由斯坦福大學(xué)獨(dú)立開發(fā)。該飛行器采用碳纖維制作機(jī)架，具有更好的機(jī)械性能，同時(shí)也延長(zhǎng)了飛行時(shí)間。研究目的是是四旋翼飛行器具備在復(fù)雜環(huán)境中飛行的能力，完成檢測(cè)、巡視等任務(wù)。完成這些測(cè)試后，該飛行器將向著多飛行器編隊(duì)飛行方向發(fā)展。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )6圖 1-7 兩型斯坦福無(wú)人機(jī)圖 1-8 MIT 多機(jī)編隊(duì)實(shí)驗(yàn)麻省理工學(xué)院主要研究多飛行器的協(xié)同飛行。當(dāng)有多個(gè)飛行器同時(shí)飛行時(shí)，對(duì)每一個(gè)飛行器而言，它所處的環(huán)境都是時(shí)刻變化的，這就需要飛行器不斷地檢測(cè)周圍環(huán)境，而且對(duì)控制器的運(yùn)算速度要求很高。飛行器使用精度較高的激光傳感器進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)，使用加速度計(jì)和陀螺儀檢測(cè)飛行姿態(tài)，控制更加靈活。該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在Dragonflyer VTi 基礎(chǔ)上改裝而來(lái)的，所有飛行器都是由地面戰(zhàn)控制的，一臺(tái)地面站可以同時(shí)控制 4 架飛行器。該項(xiàng)目的任務(wù)是同時(shí)追蹤多個(gè)目標(biāo)，不間斷地完成規(guī)定任務(wù)。多機(jī)協(xié)同和編隊(duì)飛行等實(shí)驗(yàn)見圖 1-10 和圖 1-11。（3）無(wú)人機(jī)商業(yè)化應(yīng)用德國(guó)的 Microdrones、美國(guó)的 Dragonflyer 和法國(guó)派諾特的 AR.DRONE 是在市場(chǎng)應(yīng)用方面的典型。德國(guó) MD4-200 四旋翼飛行器機(jī)架材料為碳纖維，（見圖 1-12）可以實(shí)現(xiàn)垂直起降和自主駕駛功能。機(jī)架由碳塑材料制造，碳纖維具有很好的機(jī)械特性和電磁特性，不但可以減小機(jī)身重量，提高抗摔能力，而且可以有效抵抗電磁干擾。在電量不足或通信中斷時(shí)，MD4200 可以自主降落, 防止發(fā)生意外。為了適應(yīng)不同的任務(wù)要求，MD4200 采用模塊化設(shè)計(jì),可更換機(jī)載任務(wù)設(shè)備。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )7圖 1-9 德國(guó) MD4-200美國(guó)的商業(yè)化應(yīng)代表是 Dragonflyer X4，如圖 1-14 整個(gè)機(jī)身材料都選用性能優(yōu)異的材料，其機(jī)架和螺旋槳都是碳纖維制成。該飛行器上還使用了大量的傳感器，用于檢測(cè)自身飛行器姿態(tài)和周圍環(huán)境，在機(jī)架下方可以搭載攝像機(jī),可完成航拍、地質(zhì)勘測(cè)等任務(wù)。在飛行方面，可以停在空中一固定點(diǎn)并幾乎保持不動(dòng)。在電池電量不足的情況下，可以自主返回出發(fā)點(diǎn)并安全降落，安全性能很好。Dragonflyer X4 主要用于民事應(yīng)用、目前可以用于航拍領(lǐng)域比較多。它的升級(jí)版本 DragonflyerE4 則因其接口開放程度高，易與其他模塊集成，在科研領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。法國(guó)派諾特公司開發(fā)的 AR.DRONE 飛行器不具備自主飛行能力，徐通過(guò)遙控控制其飛行。雖然不能自主飛行，但是 AR.DRONE 飛行器與現(xiàn)在流行的通信技術(shù)密切結(jié)合，其遙控式通過(guò) WiFi 協(xié)議進(jìn)行的。該飛行器還可以使用蘋果手機(jī)進(jìn)行控制，這使得它具有很濃的時(shí)尚氣息。該機(jī)配置了重力感應(yīng)裝置、陀螺儀、機(jī)械控制芯片等裝置, 還能進(jìn)行兩人模擬空戰(zhàn)。能夠?qū)崿F(xiàn)在空中懸停, 同時(shí)在微風(fēng)狀態(tài)下也能夠平衡。圖 1-10 法國(guó) AR DRONE談到四旋翼飛行器的市場(chǎng)，不應(yīng)該忽略中國(guó)的大疆無(wú)人機(jī)科技有限公司（DJI）。早年 DJI 致力于研究直升機(jī)控制器。不過(guò)在 2010 年，因受到 AR.Drone 成功的啟發(fā)，DJI 也開始研究四旋翼飛行器，并于 2012 年相繼推出了風(fēng)火輪系列四旋翼機(jī)架、悟空四旋翼飛畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )8控和 S800 六旋翼飛行器。當(dāng)時(shí)，在 AR.Drone 的引領(lǐng)下，全球范圍內(nèi)都有一股將四旋翼商業(yè)化的熱潮，DJI 只是眾多小四旋翼公司中稍微出眾的一個(gè)。隨著 2013 年 1 月 DJI Phantom 的推出，四旋翼飛行器市場(chǎng)的形勢(shì)發(fā)生了巨大的變化?！癙hantom”的英文意思是幻影、精靈。Phantom 與 AR.Drone 一樣控制簡(jiǎn)便，新手學(xué)習(xí)多半個(gè)小時(shí)就可以自由飛行。Phantom 尺寸比 AR.Drone 大的多，抗風(fēng)性更好，還具有內(nèi)置GPS 導(dǎo)航功能，可以在戶外很大的范圍內(nèi)飛行。更重要的是，當(dāng)時(shí)利用 GoPro 運(yùn)動(dòng)相機(jī)拍攝極限運(yùn)動(dòng)已經(jīng)成為歐美國(guó)家的時(shí)尚，而 Phantom 提供了掛載 GoPro 的連接架，讓用GoPro 相機(jī)的人們有了從天空向下的拍攝視角。特別地，與傳統(tǒng)的飛機(jī)和直升機(jī)航拍不同，多旋翼系統(tǒng)小巧靈活，能讓拍攝者自由地控制角度和距離。就像 iPhone 重新定義了手機(jī)一樣，我們也可以毫不夸張地說(shuō) Phantom+GoPro 重新定義了航拍，也重新定義了相機(jī)。Phantom 迅速成為了世界上銷量最大的四旋翼飛行器，每月銷量成千上萬(wàn)。隨著Phantom 的成功，“多旋翼航拍影像系統(tǒng)”成為了 DJI 的主要發(fā)展方向。按照多方進(jìn)行的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球稱為航拍影像系統(tǒng)的產(chǎn)品中，DJI 產(chǎn)品的銷量超過(guò) 5 成，是名符其實(shí)的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。事實(shí)是，DJI 產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)銷量差不多是國(guó)外銷量的零頭。2 四旋翼飛行器的飛行原理2.1 硬件構(gòu)成型4.3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)因?yàn)樵?ROS 中，所有的工作都是由節(jié)點(diǎn)完成的，所以在設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，需要定義若干節(jié)點(diǎn) [16]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )9圖 4-5 導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖依據(jù)作用不同，這些節(jié)點(diǎn)分為 3 個(gè)部分，數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出。分別介紹如下：（1）數(shù)據(jù)輸入首先，導(dǎo)航系統(tǒng)需要從外界獲取信息，這些信息包括導(dǎo)航信息與避障信息。導(dǎo)航信息主要是指地圖信息，分為全局和局部。全局地圖存在服務(wù)器中，本設(shè)計(jì)不使用全用全局地圖，只用局部地圖。局部地圖信息來(lái)自 GPS 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。局部地圖輸入節(jié)點(diǎn)名為 map_server。避障信息來(lái)自超聲波傳感器，其輸入節(jié)點(diǎn)是 sensor_msgs。map_server 節(jié)點(diǎn)和 sensor_msgs 節(jié)點(diǎn)成為數(shù)據(jù)輸入節(jié)點(diǎn)，作用是是把來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)的格式改為 ROS 可以識(shí)別的格式。(2)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的作用有兩個(gè)，一是對(duì)來(lái)自輸入部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立飛行環(huán)境信息；二是根據(jù)環(huán)境信息，制定合理的飛行路徑。數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)都在類move_base 中，數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)：local_costmap 和 local_planner。local_costmap從輸入節(jié)點(diǎn)那里得到各種信息，處理后得到實(shí)時(shí)的飛行環(huán)境信息，并把他們送到local_planner，規(guī)劃飛行路徑，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航 [17]。（3）數(shù)據(jù)輸出根據(jù)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)確定的飛行路徑，數(shù)據(jù)輸出節(jié)點(diǎn) cmd_vel 計(jì)算出飛行器的飛行速度。在平面機(jī)器人系統(tǒng)中，這個(gè)量可以直接用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)。但是對(duì)于四旋翼飛行器，它是在三維空間中運(yùn)動(dòng)，他不光要按照規(guī)劃好的路徑飛行，還要時(shí)刻保持自身的平衡。因此，cmd_vel 得輸出量還要先傳送到飛控，通過(guò)飛控計(jì)算出各個(gè)電機(jī)的控制量。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )10結(jié)論最近幾年，四旋翼飛行器逐步從實(shí)驗(yàn)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，而且其應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。因?yàn)樗男盹w行器在運(yùn)行時(shí)螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)，具有很強(qiáng)的破環(huán)能力，存在著很多安全隱患，因此實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的精準(zhǔn)導(dǎo)航與避障，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。本課題的任務(wù)是設(shè)計(jì)四旋翼飛行器的室外導(dǎo)航與避障系統(tǒng)，主要工作內(nèi)容有：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)四旋翼各個(gè)部分進(jìn)行選型，包括飛控、電機(jī)等，并按照模塊化設(shè)計(jì)思想，完成飛行器本體的設(shè)計(jì)。（2）研究了常用的導(dǎo)航避障思想，并結(jié)合自身知識(shí)能力水平，進(jìn)行導(dǎo)航避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇合適的傳感器，并進(jìn)行合理的布置。（3）將 ROS 系統(tǒng)引入四旋翼飛行器，這也是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)所在。在 ROS 中，對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行簡(jiǎn)單建模，設(shè)計(jì)了導(dǎo)航避障的程序結(jié)構(gòu)以及與傳感器及飛控的信息傳遞接口。因?yàn)槟芰τ邢?，本設(shè)計(jì)尚有一些不足之處，先提出兩點(diǎn)展望： （1）本設(shè)計(jì)盡是從理論方面對(duì)四旋翼飛行器的導(dǎo)航避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)，希望以后可以制作出實(shí)物，進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。（2）本設(shè)計(jì)的目標(biāo)位置是實(shí)現(xiàn)通過(guò)寫到飛控里的，實(shí)時(shí)性很差，以后可以采用遙控機(jī)制，通過(guò)地面站向飛行器發(fā)送目標(biāo)位置，并將使用微型飛行器通信協(xié)議 Mavlink 進(jìn)行畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )11通信。致謝畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )12參考文獻(xiàn)[1] 魏俊民，周硯江.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)紡織出版社,1998[2] 岳基隆.微小型四旋翼無(wú)人機(jī)研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)淺析[D].2011 [3] 劉小春.電機(jī)與拖動(dòng)[M].北京：人民郵電出版社，2010[4] 戴斐.機(jī)載目標(biāo)視頻跟蹤與控制技術(shù)研究[D].大學(xué)生論文聯(lián)合比對(duì)庫(kù)，2013[5] 胡占雙.無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)檢測(cè)及控制研究[D].沈陽(yáng)航空航天大學(xué)碩士論文.2012[6] 黃澈.計(jì)算機(jī)控制虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究[D].太原理工大學(xué)碩士論文,2014[7] 張松蘭.PID 控制器參數(shù)整定［M］科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007[8] 鄒波.基于多超聲波測(cè)距與模糊控制避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安交通大學(xué),2013[9] 宋洋.無(wú)人飛行器自主航路規(guī)劃技術(shù)及仿真研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2011[10]成怡.四軸飛行器組合導(dǎo)航非線性濾波算法[J].天津工業(yè)大學(xué):計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2014,34(SI):341-344[11] 蔣林.全方位移動(dòng)操作機(jī)器人及其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與導(dǎo)航研究[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008[12] 佚名.開源機(jī)器人操作系統(tǒng)探索總結(jié)[OL].中國(guó) IT 實(shí)驗(yàn)室,2013[13] 閆錦龍.帶自動(dòng)避障系統(tǒng)的智能四軸飛行器的設(shè)計(jì)[M].安徽大學(xué),2014[14] 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